Teoreettiset ja numeeriset tutkimukset dynaamisesti viritettävistä terahertsigrafeenipohjaisista kiraalisista ja anisotrooppisista metamateriaaleista

Tässä opinnäytetyössä tutkitaan, kuinka teoreettisia ja numeerisia lähestymistapoja voidaan käyttää virittävien terahertsigrafeenipohjaisten kiraalisten ja anisotrooppisten metamateriaalien suunnittelussa ja analysoinnissa optoelektroniikan sovelluksiin. Metamateriaalien yhdeksän muunnelmaa suunniteltiin ja analysoitiin osoittamaan tekniikan monipuolisuutta: yksi-, kaksi- ja monitoimimetamateriaalit, jotka toimivat suodattimena, monikaistaiset vaimentimet, laajakaista- ja monikaistapeilit, kytkin, invertteri, taitekerroinanturi ja biosensori. Metamateriaalit suunniteltiin ja optimoitiin numeerisesti Computer Simulation Technology (CST) -ohjelmistossa. Teoreettisessa analyysissä hyödynnettiin ekvivalentteja piirimalleja (ECM), parametrien hakumenetelmää ja Kramers–Kronig-relaatioihin perustuvia MATLAB-koodeja.

Ehdotetut metamateriaalimallit ovat dynaamisesti viritettävissä vaihtelemalla esijännitettä ja-ne osoittivat vaikuttavaa komponenttitason suorituskykyä THz-taajuusalueella (0,3–5,5 THz). Parhaiten suunniteltujen metamateriaalien lineaarinen dikroismi (LD) maksimivaste on 100 %, maksimiabsorptio 100 %, enintään neljä absorptio/heijastuskaistaa, suurin kytkentäsammutussuhde 33,01 dB ja maksimi pyöreä dikroismi (CD) vaste 20 %. Tunnistuksen suorituskyvyn kannalta suurin taitekerroinherkkyys oli 0,96 THz/taitekerroinyksikkö. Tietyissä malleissa absorptio- ja heijastuskaistojen lukumäärää ja sijaintia voidaan säätää kiertämällä tulevaa sähkömagneettista kenttää.

Saadut tulokset osoittivat metamateriaalien merkittävän potentiaalin eri tutkimusaloilla, niiden mahdollisen vaikutuksen optoelektroniikan teollisuuteen sekä mahdollisuuden oikeanlaiseen suunnitteluun grafeenipohjaisen THz-metarakenteen valmistuksen mahdollistamiseksi.